“互联网+虚拟仿真”的新工科实验教学模式研究

马明舟

关键词：新工科;互联网+虚拟仿真;实验教学模式;主动式学习

1绪论

新工科是为了适应新一轮的科技革命，立足国家战略发展需求以及国际竞争新形势，提出的一种工程类的新的教育改革方向，因此新工科的内涵包括了两个层面：一个面是在新技术发展和融合的背景下产生的新工科型专业，另一面是在新技术的推动下实现传统专业的升级和改造。

在新工科发展的大背景下，实现应用型高级技术人才培养的重要突破，就是要摆脱匮乏的实验教学资源和落后的教学方法、手段对人才培养的束缚，推进信息技术与教育教学的深度融合，创新教育教学方法，形成符合新工科人才培养需求的教学模式。

2实验教学过程中的现存问题

对于高校实验教学而言，新工科教学需求与传统的教育资源和教学模式的矛盾日益突出。根源在于随着信息化技术的发展，技术细分导致新型实验的过程更加系统和复杂，存在不确定性因素，甚至有多种实验结果并存，而实验所用的设备和软件系统也在不断推陈出新，一些与生产实际联系紧密的实验课程对场地环境要求严苛，存在一定的安全风险。而高校所能投入的资源总量是有限的。因此，当前高校在大力发展新工科实验教学的过程中，面临着如下几个棘手的问题：

一是，在高校的实验教学环节中，设备、软件的数量和更新频率无法及时跟进行业技术的快速发展，实验环境无法满足要求，限制了传统实验教学模式的作用。

二是，在传统实验教学模式中，面对新实验中复杂、开放的实验环节和内容时，学生的主动性不足，缺乏探索能力。

三是，传统实验教学模式中对学生能力的评价和管理，更侧重于实验完成结果的质量，因师资投入等原因，无法对学生实验完成的成绩做全面、准确的评价。

四是，传统实验教学模式中指导教师不仅要承担教学组织工作，还要在实验过程中进行指导和答疑，同时要解决实验中出现的各种复杂问题，并要对学生进行管理和评测，教学压力巨大。

五是，传统实验教学方法的时间和场地固定，不利于学生开展复习和巩固。

3“互联网+虚拟仿真”的实验教学模式

“互联网+虚拟仿真”的教学模式是利用新的网络技术，建立互联网学习模式，实现了仿真软件资源在网络端的应用。用户以网络游戏的模式登录校园网访问教学仿真软件，随时随地进行在线学习，系统多数采用了B/S模式的Web应用，特别适用于动手能力训练的教学活动中。互联网+虚拟仿真教学模式在实验教学、实习实训、课程设计等环节中，能够满足学生动手操作的需求。其优势在于教师可以基于该系统组织教学活动，学生可随时随地上网进行仿真操作训练，学生进行虚拟仿真实验实训的成绩可在系统中跟踪、统计、汇总。

以虚拟仿真技术为主实现对新工科专业及传统专业新工科改造过程中实验课程体系里无法在现实环境中实现的实验教学内容进行仿真模拟，并依托互联网教育平台搭建可多终端使用的在线虚拟仿真实验教学系统，引入主动式学习的思想，并与线下理论课程相融合，构建混合式学习、动态式跟踪、智能化评价、数字化管理的新型教学模式，解决传统教学模式的弊端和不足。

4“互联网+虚拟仿真”的实验教学实施策略

4.1对新工科实验教学的特点进行全面的研究分析

采用总结归纳法，全面分析新工科专业和传统专业新工科升级过程中产生的实验教学课程，掌握其教学内容、教学资源、教学手段和方法;再通过查阅文献资料和调查访问等形式，对国内外现有优秀的互联网虚拟仿真实验教学课程的系统建设和教学模式进行调研和借鉴，整理出有价值的资料和数据，为研究提供可借鉴的经验;在分析归纳和调查研究的基础上，通过逻辑推演法对“互联网+虚拟仿真”实验教学系统进行总体方案的设计，形成“互联网+虚拟仿真”实验教学模式的基本架构，提出研究的技术问题和重点、难点;通过调查问卷、走访调查等形式征求新工科教育领域中专家和学者的意见和建议，改进设计方案、调整研究问题、假设目标和研究思路。

4.2“互联网+虚拟仿真”实验教学系统的设计与研发

以情景假设法为主，按照实验教学的需求，首先运用互联网开发、虚拟现实、数据挖掘、大数据分析等信息技术构建“互联网+虚拟仿真”实验教学系统，主要解决的问题包括：

（1）网络平台运行环境的搭建;

（2）虚拟仿真实验课程校本设计与开发;

（3）仿真实验教学所需的模型库和案例库的开发;

（4）虚拟场景库的开发;

（5）教学辅助资源数据库的开发;

（6）实验管理和成绩测评系统的开发。

在通过内部测试以后，将“互联网+虚拟仿真”实验教学系统植入到新工科课程中，建立线下理论教学+线上虚拟仿真训练相结合的混合式教学体系，并对理论教学与虚拟仿真实验教学之间的有效衔接性进行改进和优化。

4.3运用对比分析法改进“互联网+虚拟仿真”实验教学模式

在测试改进阶段，选取测试学生对象，分别以“互联网+虚拟仿真”实验教学模式与传统的实验教学模式进行独立测试，通过行为观察、调查问卷、测试评估等方法，对两组实验结果进行对比和评价，科学评估“互联网+虚拟仿真”实验教学模式的有效性，对实验偏差进行分析，提出系统建设方案中的问题和不足，进而从在线教学资源、系统开发技术和教学方法手段等方面对教学模式进行改进和更新。

5“互联网+虚拟仿真”的实验教学模式的关键因素

5.1加强组织和领导建设

学校层面成立专门的教学研究部，对新工科教育发展、专业建设和课程改革工作进行全面的规划和管理，由主管教学工作的领导担任主官。分院领导组织各分院层面的新工科研究与改革项目小组，为各专业新工科建设提供指导。在学院内部和外部组建跨学科、跨专业的团队，集中优秀的师资力量组建专项研究小组，针对新工科教育中出现的各种困难进行研究与探索。与项目相配套的课程建设保障工作需要指定相关职能部门专人专项负责。

5.2建立制度规范

学校应通过制定信息化课程建设的实施方案、教学改革规划等指导性文件，为“互联网+虚拟仿真”课程建设发展提供制度保障。与此同时，在年度教育教学改革项目中，将新工科专业课程建设纳入教育教学进行项目中，列入课题指南中。

5.3保障建设经费

学院对“互联网+虚拟仿真”课程教学改革设置专项经费，符合校级课程改革的项目准予启动经费;获得省级或国家级课程改革项目，可再获得专项经费，通过验收合格予以奖励经费。

项目建设经费可按建设年度逐年发放，奖励资金一次性发放。建设经费主要用于项目调研、软硬件设备、教学资源、教学文件等建设，以及改革课程的建设、后期维护及更新，对学院建设起到重大作用情况下，可对课程改革项目课追加奖励和建设资金。

5.4组建跨学科课程建设团队

教师是推动课程建设的主导者，“互联网+虚拟仿真”实验仿真教学模式的研究需要从课程背景、技术路线、实施分析、总结思考等多个层面展开，采用的不是现有的成熟平台和方法。特别是“互联网+虚拟仿真”实验教学系统的开发，需要具备专业知识背景的任课教师，具备互联网技术和虚拟仿真技术的计算机教师，以及多媒体艺术设计、数字媒体技术等专业教师共同参与。因此，建立跨专业的课程建设团队，是“互聯网+虚拟仿真”实验教学改革能否取得成功最为关键的因素。

6总结

通过本文的研究，不仅要使“互联网+虚拟仿真”的教育技术手段能够在某一个新工科专业的相关实验中得到推广，同时也要实现一定程度上的普遍性，能够为具有相同需求的专业参照项目研究的问题和过程，结合专业自身的特点，寻求教学方法与信息技术的深度融合。